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WO2000014823A1 - Abstimmbarer hohlraumresonator - Google Patents

Abstimmbarer hohlraumresonator Download PDF

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Publication number
WO2000014823A1
WO2000014823A1 PCT/EP1999/005959 EP9905959W WO0014823A1 WO 2000014823 A1 WO2000014823 A1 WO 2000014823A1 EP 9905959 W EP9905959 W EP 9905959W WO 0014823 A1 WO0014823 A1 WO 0014823A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cavity resonator
tunable
tuning
actuator
resonator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP1999/005959
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Indra Ghosh
Norbert Klein
Ulrich Poppe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority to EP99944392A priority Critical patent/EP1112603B1/de
Priority to DE59906271T priority patent/DE59906271D1/de
Priority to AT99944392T priority patent/ATE244939T1/de
Priority to US09/786,760 priority patent/US6549104B1/en
Publication of WO2000014823A1 publication Critical patent/WO2000014823A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06—Cavity resonators

Definitions

  • the invention relates to a tunable cavity resonator according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a tunable microwave oscillator which uses such a cavity resonator.
  • Tunable cavity resonators are used, among other things, in microwave oscillators, which are used to generate carrier signals in microwave communication.
  • Such oscillators essentially consist of a microwave amplifier which is operated in feedback and a high-quality cavity resonator which is located in the feedback branch of the oscillator and which filters phase noise generated in the amplifier.
  • a microwave oscillator uses a mechanical or electrical phase shifter to set the phase condition in the feedback branch and a high-frequency coupler to couple out the useful signal (carrier signal).
  • the oscillator frequency is set in two stages: For the rough setting, the resonance frequency of the tunable cavity resonator is first changed in a suitable manner.
  • the phase shifter is then shifted in a targeted manner by means of the phase shifter by adjusting the phase in the feedback branch of the oscillator within the resonance width of the tuned cavity resonator.
  • a difficulty with such a two-stage tuning of an oscillator results from the fact that the maximum frequency swing achievable by the phase adjustment is relatively small and, for example, is only about 100 kHz for resonator qualities above 10 "(ie Q> 10 4 ).
  • the microwave oscillator can be fully tuned can only be achieved if the minimum frequency change that can be achieved in the resonance frequency tuning (ie the tuning of the cavity resonator)
  • ⁇ R (min) is smaller than the mentioned maximum frequency swing with variation of the phase in the feedback branch of the oscillator.
  • cavity resonators with an extremely high tuning accuracy are required.
  • DE 1 687 622 discloses a device for adjusting the distance between a fixed and a movable wall part of a cavity resonator, a lever being rotatably arranged on the fixed wall part, said lever being in engagement with the movable wall part via a bearing.
  • the lever is adjusted via a conically tapering section. This moves the wall of the cavity resonator to detune the frequency of the resonator.
  • the linear stroke, which of the levers passes through at its free end is translated into a reduced linear stroke on the wall of the resonator.
  • the invention has for its object to provide a cavity resonator that has a high setting accuracy with respect to its resonance frequency.
  • a cavity resonator is to be provided which has a high quality and nevertheless enables complete tunability when used in a microwave oscillator.
  • the invention further aims to provide a fully tunable microwave oscillator with a high quality cavity resonator.
  • the translation mechanism ensures that when the actuating device is actuated, it is not the linear stroke generated by the actuating device, but rather a reduced linear stroke compared to this, that adjusts the tuning disk.
  • the result of this is that the minimum stroke change that can be achieved with the adjusting device is transformed into an even smaller minimum stroke change that acts on the tuning disk.
  • the setting accuracy of the tuning disk is increased by the predetermined ratio of the transmission mechanism compared to the setting accuracy of the adjusting device.
  • the predetermined ratio ie the gear ratio
  • the use of two spring elements pressing against each other has the advantage that the translation mechanism works continuously and to a large extent free of movement play.
  • a particularly preferred embodiment variant is characterized in that the first spring element is formed from at least one plate spring and the second spring element is realized by a plate spring which is fixed on the circumference and is acted upon centrally by the plate spring.
  • a spring mechanism can be designed to be sufficiently rigid to be insensitive to external shocks or vibrations. Suitable disc and plate springs with the required high spring constants can also be produced without any problems.
  • the actuating device preferably consists of a mechanical actuator, which can be actuated in particular manually, and a first electromechanical actuator, in particular a first piezo element, connected downstream of the mechanical actuator.
  • the first electromechanical actuator enables electrical actuation of the actuating device, which is particularly advantageous when the actuating device is operated in a control loop mode for setting the resonance frequency ⁇ R.
  • the electromechanical actuator can also be used, for example, to compensate for temperature-related drifts and can also be used in a limited way Lift range of an actuation of the mechanical actuator superfluous.
  • the tuning disk preferably consists of a dielectric material, in particular sapphire. Such a tuning disk has very low dielectric losses, especially at low temperatures, which results in high losses
  • Quality Q ⁇ 10 7 of the cavity resonator (defined as the product of the resonance frequency ⁇ R with the quotient of the field energy stored in the resonator and the power loss occurring in the resonator).
  • the position-adjustable tuning disk according to the invention can also be a wall element (for example a ceiling wall) of the cavity resonator.
  • a particularly preferred embodiment of the invention is characterized in that a dielectric body is provided in the resonator body and in that the tuning disk is arranged within the resonator body at a small distance d from a flat surface of the dielectric body.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of a cavity resonator according to the invention
  • Fig. 2 is a block diagram of a microwave oscillator using the cavity shown in Fig. 1;
  • Fig. 3 is a graph showing the change in the oscillator frequency ⁇ f as a function of the change in position ⁇ x 2 of the tuning disk.
  • the cavity resonator 1 shows a cavity resonator 1 in a cylindrical design with a resonance frequency ⁇ R in the GHz range.
  • the cavity resonator 1 has a circular disk-shaped bo denplatte 2, a cylindrical peripheral wall 3 and a ceiling wall 4.
  • the resonator wall elements 2, 3 and 4 consist of a metal with good electrical conductivity, such as Cu or an HTSL material, and define a cavity 5 in their interior.
  • the bottom plate 2 has through holes 6 distributed over its circumference, through which threaded screws 7 pass, by means of which the bottom plate 2 is fixed to a bottom-side flange 8 of the peripheral wall 3. Between the base plate 2 and the flange 8 there is an annular disk-shaped spacer 9 of a given thickness and above it a circular disk-shaped lifting floor 10.
  • the multi-layer piezo element 11 has a maximum stroke of a few ⁇ m, which can be transferred to the lifting floor 10 and brings about a central bulging thereof.
  • a dielectric base element 12, which carries a dielectric cylinder 30, is arranged on the lifting floor 10 in the central region above the multilayer piezo element 11.
  • the dielectric cylinder 30 is made of a high-dielectric material
  • Dielectric constant ⁇ for example sapphire
  • ⁇ Dielectric constant ⁇
  • a coupling antenna 13a and a coupling antenna 13b protrude into the cavity 5 through the cylindrical peripheral wall 3.
  • the coupling and decoupling antennas 13a, 13b are each designed as coaxial cables with coaxial loops formed at the ends.
  • the ceiling wall 4 of the cavity resonator 1 is spaced apart from a ceiling-side flange 15 of the peripheral wall 3 by means of an annular disk-shaped spacing element 14 and is fixed to the ceiling-side flange 15 in a manner similar to the floor wall 2 by means of threaded screws 17 passing through through bores 16.
  • a plate spring 18 in the form of a thin, metallic disc is fixed on the edge between the ring-shaped spacer element 14 and the ceiling wall 4. In its central region, the plate spring 18 delimits a cylindrical spring receiving space 19 present in the ceiling wall 4.
  • the spring receiving space 19 contains three stacked disc springs 20, which are mounted around a central guide element 21 and on the bottom side of the plate spring 18 are supported.
  • a micrometer screw 22 Above the top wall 4 there is a micrometer screw 22 which consists of a screw chuck 23 firmly connected to the top wall 4 and a rotating member 24 guided therein in a fine thread.
  • the path of movement is transmitted to the first multilayer piezo element 26 and can additionally be changed by it, i.e. shortened or extended.
  • Multilayer piezo element 26 occurring linear stroke ⁇ x x acts on the top plate spring 20 and compresses it.
  • the plate springs 20 press on the plate spring 18 and deflect it in its central region by a deflection path ⁇ x 2 . Due to the counterforce exerted by the plate spring 18, the deflection path ⁇ x 2 on the output side is smaller than the linear stroke ⁇ j on the input side.
  • a tuning disk 28 is attached via a stem 27.
  • the tuning disk 28 extends parallel and at a small distance d to a flat surface 29 of the dielectric cylinder 30.
  • the tuning disk 28 With a central deflection .DELTA.x 2 of the plate spring 18 in the bottom direction, the tuning disk 28 also shifts by .DELTA.x 2 , so that a previously set distance d between the tuning disk 28 and the cylindrical body 30 is shortened to d- ⁇ x 2 .
  • FIG. 2 shows in the form of a block diagram the basic structure of a microwave oscillator that uses the cavity resonator 1 shown in FIG. 1.
  • An amplifier signal 41 from an amplifier 40 is fed to a high-frequency coupler 42.
  • the high-frequency coupler 42 couples a useful signal 43 out of the amplifier signal 41 and, on the other hand, forwards the amplifier signal 41 to the cavity resonator 1.
  • the amplifier signal 41 is coupled into the cavity resonator 1 via the input antenna 13a.
  • An output signal 44 is coupled out of the cavity resonator 1 via the output antenna 13b and fed to an electrically or mechanically actuable phase shifter 45 which is used to set the phase condition in FIG the feedback branch 41, 42, 1, 44, 45 is provided.
  • the phase-shifted feedback signal 46 generated by the phase shifter 45 is fed into the amplifier 40.
  • the microwave oscillator can only be continuously tuned if the cavity resonator 1 has a required setting accuracy
  • Resonance frequency ⁇ R of about 100 kHz or less reached. It is unfavorable that the voting steepness
  • ⁇ R / ⁇ x 2 of a cavity resonator increases proportionally with its quality Q.
  • a typical tuning steepness of 10 kHz / ⁇ m is observed in resonators 1 with a comparatively low quality (Q * 10 4 ). This means that the setting accuracy of the tuning mechanism with regard to the achievable positional accuracy of the tuning disk 28 only has to be about 10 ⁇ m in order to achieve the required tuning accuracy ⁇ R of the resonance frequency of 100 kHz.
  • the tuning steepness with a quality of Q * 10 7 is already 10 3 kHz / ⁇ m.
  • a quality of Q 10 7 can be achieved in the cavity resonator 1 according to the invention by cooling it to about 77K, because in this way the dielectric losses occurring in the dielectric cylinder 30 can be significantly reduced for so-called whispering gallery modes.
  • the tuning mechanism of the cavity resonator 1 must then have an adjustment accuracy of 0.1 microns.
  • the translation mechanism 18, 20 shown in FIG. 1 enables such an adjustment accuracy (when using a micrometer screw 22 with an adjustment accuracy of 50 ⁇ m per revolution) and thus allows the implementation of a fully tunable microwave oscillator with a cavity resonator 1 of the quality Q 10 7 .
  • the high setting accuracy of the tuning mechanism 22, 20, 18 is based not only on the reduction of the movement path according to the invention by the translation mechanism 18, 20, but also on the fact that due to the construction of the translation mechanism 18, 20 from spring elements connected in series, there is practically no movement play in this. This also enables a high reproducibility of the setting position.
  • the first and second multilayer piezo elements 26, 11 can preferably also be used for the electrical adjustment of the resonance frequency ⁇ R.
  • the first multilayer piezo element 26 causes the tuning disk 28 to move relative to the stationary dielectric cylinder 30, while operation of the second multilayer piezo element 11 results in movement of the dielectric cylinder 30 relative to the stationary tuning disk 28.
  • the first multilayer piezo element 26 connected upstream of the translation mechanism 18, 20 enables a very precise electrical one
  • Fine adjustment of the resonance frequency ⁇ R and is therefore particularly suitable as an actuator for regulating the resonance frequency ⁇ R in a control loop operation.
  • FIG. 3 shows a diagram which illustrates the tuning behavior of the oscillator shown in FIG. 2 under the following exemplary conditions:
  • the cavity resonator 1 is cooled to a temperature of 77K and has a dielectric cylinder 30 made of sapphire.
  • a micrometer screw 22 with a stroke of 50 ⁇ m per revolution, three disc springs 20 and a 1 mm thick plate spring 18 (k 2 5000 N / mm) are used. det.
  • the tuning disc 28 is made of sapphire and has a thickness of 0.5 mm. The tuning takes place at a frequency of 23 GHz.
  • the change in the oscillator frequency ⁇ f is shown on the y-axis in the left-hand image area in FIG. 3
  • the quality Q of the cavity resonator 1 plotted on the y-axis shown in the right-hand area of FIG. 3 is largely constant over the entire tuning range of the microwave oscillator and is Q> 2-10 6 in the example shown here. It also occurs during practically no quality degradation of the cavity resonator 1 during an adjustment process.

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen abstimmbaren Hohlraumresonator, der einen Hohlraum (5) definierenden Resonatorkörper (2, 3, 4), eine in ihrer Lage gegenüber dem Resonatorkörper (2, 3, 4) veränderliche und dabei die Resonanzfrequenz ( omega R) des Hohlraumresonators (1) beeinflussende Abstimmscheibe (28) und eine Stelleinrichtung (22, 26) zur mechanischen Lagerveränderung der Abstimmscheibe (28) umfasst, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Übersetzungsmechanik (18, 20), die die Stelleinrichtung (22, 26) bewegungsmässig mit der Abstimmscheibe (28) koppelt und einen von der Stelleinrichtung (22, 26) erzeugten Linearhub ( DELTA x1) unter vorgegebenem Verhältnis (U) in einen auf die Abstimmscheibe (28) wirkenden, reduzierten Linearhub ( DELTA x2) übersetzt, wobei die Übersetzungsmechanik (18, 20) ein erstes Federelement (20), dessen stelleinrichtungsseitiges Ende mit dem von der Stelleinrichtung (22, 26) erzeugten Linearhub ( DELTA x1) auslenkbar ist, und ein zweites Federelement (18), das das stelleinrichtungsferne Ende des ersten Federelements (20) mit einer Gegenkraft beaufschlagt, umfasst.

Description

Abstimmbarer Hohlraumresonator
Die Erfindung betrifft einen abstimmbaren Hohlraumresonator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen abstimmbaren Mikrowellenoszillator, der einen derartigen Hohlraumresonator verwendet.
Abstimmbare Hohlraumresonatoren kommen u.a. in Mikrowellenoszillatoren zum Einsatz, die zur Erzeugung von Trägersignalen in der Mikrowellenkommunikation verwendet werden. Derartige Oszillatoren bestehen im wesentlichen aus einem Mikrowellenverstärker, der in Rückkopplung betrieben wird, und einem Hohlraumresonator hoher Güte, der sich in dem Rückkopplungszweig des Oszillators befindet und das in dem Verstärker generierte Phasenrauschen filtert. Außerdem verwendet ein solcher Mikrowellenoszillator einen mechanischen oder elektrischen Phasenschieber zur Einstellung der Phasenbedingung in dem Rückkopplungszweig und einen Hochfrequenzkoppler zur Auskopplung des Nutzsignals (Trägersignals). Die Einstellung der Oszillatorfrequenz erfolgt zweistufig: Zur Grobeinstellung wird zunächst die Resonanzfrequenz des abstimmbaren Hohlraumresonators in geeigneter Weise verändert. Dies erfolgt mittels der Stelleinrichtung, durch die die Lage der Abstimmscheibe gegenüber dem Resonatorkörper verstellt wird. Zur Feineinstellung der Oszillatorfrequenz wird dann mittels des Phasenschiebers durch ein Verstellen der Phase im Rückkopplungszweig des Oszillators die Oszillatorfrequenz innerhalb der Resonanzbreite des abgestimmten Hohlraumresonators gezielt verschoben.
Eine Schwierigkeit bei einer solchen zweistufigen Abstimmung eines Oszillators resultiert daraus, daß der durch die Phasenverstellung erreichbare maximale Frequenzhub relativ klein ist und bei Resonatorgüten oberhalb 10" (d.h. Q > 104) beispielsweise nur etwa 100 kHz beträgt. Eine vollständige Durchstimmbarkeit des Mikrowellenoszillators kann jedoch nur dann erreicht werden, wenn die bei der Resonanzfrequenzabstimmung (d.h. der Abstimmung des Hohlraumresonators) erreichbare minimale Frequenzänderung
ΔωR(min) kleiner als der angesprochene maximale Frequenzhub bei Variation der Phase im Rückkopplungszweig des Oszillators ist. Um diese Forderung zu erfüllen, werden Hohlraumresonatoren mit einer extrem hohen Abstimmgenauigkeit benötigt.
Dabei ist zu berücksichtigen, daß sich mit zunehmender Güte Q eines Hohlraumresonators die Anforderungen an die Einstellgenauigkeit des Abstimmechanismus zur Erzielung einer vorgegebenen Abstimmgenauigkeit erhöhen.
In der Praxis treten daher häufig Schwierigkeiten hinsichtlich der konstruktiven Auslegung des Abstimmechanismus auf, und es hat sich gezeigt, daß die gewünschten hohen Einstellgenauigkeiten in Verbindung mit den erforderlichen Vibrationsfestigkeiten und einer guten Reproduzierbarkeit der Abstimmeinstellung nicht immer erreicht werden.
In der Veröffentlichung "Temperature compensated high-Q dielectric resonators for long term stable low phase noi- se oscillators" , Proceedings of the 1997 Frequency Con- trol Symposium, I. S. Ghosh et al., Seiten 1024 - 1029 ist ein abstimmbarer Hohlraumresonator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben. Dieser Hohlraumresonator erfüllt bei einer Güte Q ~ 105 die für eine kontinuierliche Durchstimmbarkeit eines Mikrowellenoszillators erforderlichen Anforderungen an die Abstimmgenauigkeit.
Aus der DE 1 687 622 ist eine Vorrichtung zur Abstandseinstellung zwischen einem feststehenden und einem bewegbaren Wandungsteil eines Hohlraumresonators bekannt, wobei an dem feststehenden Wandungsteil ein Hebel drehbar angeordnet ist, der über ein Lager mit dem bewegbaren Wandungsteil in Eingriff steht. Über einen konusförmig auslaufenden Abschnitt wird der Hebel verstellt. Hierdurch wird die Wand des Hohlraumresonators bewegt, um die Frequenz des Resonators zu verstimmen. Der lineare Hub, welcher der Hebel an seinem freien Ende durchläuft, wird an der Wand des Resonators in einen reduzierten Linearhub übersetzt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlraumresonator zu schaffen, der eine hohe Einstellgenauigkeit in bezug auf seine Resonanzfrequenz aufweist. Insbesondere soll ein Hohlraumresonator bereitgestellt werden, der eine hohe Güte aufweist und dennoch beim Einsatz in einem Mikrowellenoszillator eine vollständige Durchstimmbarkeit desselben ermöglicht. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, einen vollständig durchstimmbaren Mikrowellenoszillator mit einem Hohlraumresonator hoher Güte zu schaffen.
Zur Lösung der Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 vorgesehen.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ubersetzungsmechanik wird erreicht, daß bei einer Betätigung der Stelleinrichtung nicht der von der Stelleinrichtung erzeugte Linearhub, sondern ein gegenüber diesem reduzierter Linearhub die Abstimmscheibe verstellt. Dies hat zur Folge, daß die mit der Stelleinrichtung erreichbare Minimalhubänderung in eine noch kleinere, auf die Abstimmscheibe wirkende Minimalhubänderung transformiert wird. Im Ergebnis wird die Einstellgenauigkeit der Abstimmscheibe verglichen mit der Einstellgenauigkeit der Stelleinrichtung um das vorgegebene Verhältnis der Ubersetzungsmechanik erhöht. Dabei wird das vorgegebene Verhältnis (d. h. das Übersetzungsverhältnis) durch die Federkonstanten der beiden Federelemente bestimmt. Die Verwendung zweier gegeneinander drückender Federelemente weist den Vorteil auf, daß die Ubersetzungsmechanik kontinuierlich und in hohem Maße frei von Bewegungsspiel arbeitet.
In diesem Fall kennzeichnet sich eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante dadurch, daß das erste Federelement aus wenigstens einer Tellerfeder gebildet ist und das zweite Federelement von einer umfangsseitig fixierten, von der Tellerfeder zentral beaufschlagten Plattenfeder realisiert wird. Eine solche Federmechanik läßt sich ausreichend starr auslegen, um gegenüber äußeren Erschütterungen bzw. Vibrationen unempfindlich zu sein. Ferner können geeignete Teller- und Plattenfedern mit den erforderlichen hohen Federkonstanten problemlos hergestellt werden.
Die Stelleinrichtung besteht vorzugsweise aus einem insbesondere manuell betätigbaren, mechanischen Stellglied und einem dem mechanischen Stellglied nachgeschalteten ersten elektromechanischen Stellglied, insbesondere ersten Piezoelement . Das erste elektromechanische Stellglied ermöglicht eine elektrische Ansteuerung der Stelleinrichtung, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Stelleinrichtung in einem Regelschleifenbetrieb zur Einstellung der Resonanzfrequenz ωR betrieben wird. Das elektromechanische Stellglied kann beispielsweise auch zur Kompensation von temperaturbedingten Drifts eingesetzt werden und kann darüber hinaus in einem begrenzten Hubbereich eine Betätigung des mechanischen Stellglieds überflüssig machen.
Vorzugsweise besteht die Abstimmscheibe aus einem dielektrischen Material, insbesondere Saphir. Eine derartige Abstimmscheibe weist vor allem bei tiefen Temperaturen sehr geringe dielektrische Verluste auf, wodurch sich eine hohe
Güte Q ~ 107 des Hohlraumresonators (definiert als das Produkt der Resonanzfrequenz ωR mit dem Quotienten aus der in dem Resonator gespeicherten Feldenergie und der in dem Resonator auftretenden Verlustleistung) erzielen läßt.
Grundsätzlich kann es sich bei der erfindungsgemäßen, lageveränderlichen Abstimmscheibe auch um ein Wandelement (beispielsweise Deckenwand) des Hohlraumresonators handeln. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich jedoch dadurch, daß in dem Resonatorkörper ein dielektrischer Körper vorgesehen ist, und daß die Abstimmscheibe innerhalb des Resonatorkörpers unter einem geringen Abstand d zu einer ebenen Oberfläche des dielektrischen Körpers angeordnet ist. Bei einer derartigen Bauweise ist ein Großteil der Feldenergie in dem dielektrischen Körper gespeichert, wobei mittels einer Lageveränderung der Abstimmscheibe eine feinfühlige Änderung der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators erreichbar ist.
Bei Verwendung eines dielektrischen Körpers besteht eine weitere konstruktiv vorteilhafte Realisierungsvariante darin, den dielektrischen Körper auf einem mittels eines zweiten elektromechanischen Stellglieds, insbesondere zweiten Piezoelements in seiner Höhe veränderlichen Hubboden anzubringen. Auf diese Weise läßt sich ohne großen Aufwand ein gewünschter Nominal- oder Ausgangsabstand zwischen der Abstimmscheibe und der ebenen Oberfläche des dielektrischen Körpers vorgeben, welcher dann durch die erfindungsgemäße Stelleinrichtung mit nachgeschalteter Ubersetzungsmechanik in geeigneter Weise feinjustiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt:
Fig. 1: eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Hohlraumresonators;
Fig. 2: ein Blockschaltbild eines den in Fig. 1 gezeigten Hohlraumresonator verwendenden Mikrowellenoszillators; und
Fig. 3 ein Schaubild, in dem die Änderung der Oszillatorfrequenz Δf als Funktion der Lageänderung Δx2 der Abstimmscheibe dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt einen Hohlraumresonator 1 in Zylinderbauweise mit einer Resonanzfrequenz ωR im GHz-Bereich. Der Hohlraumresonator 1 weist eine kreisscheibenförmige Bo- denplatte 2, eine zylindrische Umfangswand 3 und eine Deckenwand 4 auf. Die Resonator-Wandelemente 2, 3 und 4 bestehen aus einem Metall guter elektrischer Leitfähigkeit wie beispielsweise Cu oder einem HTSL-Material und definieren in ihrem Inneren einen Hohlraum 5.
Die Bodenplatte 2 weist über ihren Umfang verteilte Durchgangsbohrungen 6 auf, welche von Gewindeschrauben 7 durchlaufen werden, mittels denen die Bodenplatte 2 an einem bodenseitigen Flansch 8 der Umfangswand 3 festgelegt ist. Zwischen der Bodenplatte 2 und dem Flansch 8 ist ein ringscheibenförmiges Abstandselement 9 vorgegebener Stärke und darüber ein kreisscheibenförmiger Hubboden 10 angeordnet.
Im zentralen Bereich zwischen der Bodenplatte 2 und dem Hubboden 10 befindet sich ein Mehrschicht-Piezoelement 11. Das Mehrschicht-Piezoelement 11 weist einen Maximalhub von einigen μm auf, welcher auf den Hubboden 10 übertragen werden kann und eine zentrale Auswölbung desselben herbeiführt.
Im zentralen Bereich oberhalb des Mehrschicht- Piezoelements 11 ist auf dem Hubboden 10 ein dielektrisches Sockelelement 12 angeordnet, das einen dielektrischen Zylinder 30 trägt. Der dielektrische Zylinder 30 besteht aus einem dielektrischen Material mit einer hohen
Dielektrizitätskonstante ε (beispielsweise Saphir) und ist koaxial mit der Umfangswand 3 des Hohlraumresonators 1 angeordnet. Durch die zylindrische Umfangswand 3 hindurch ragen in den Hohlraum 5 eine Einkoppelantenne 13a und eine Auskoppelantenne 13b hinein. Die Ein- und Auskoppelantennen 13a, 13b sind jeweils als Koaxialkabel mit endseitig ausgebildeten Koaxialschleifen ausgeführt.
Die Deckenwand 4 des Hohlraumresonators 1 ist mittels eines ringscheibenförmigen Abstandselements 14 vorgegebener Stärke von einem deckenseitigen Flansch 15 der Umfangswand 3 beabstandet und in ähnlicher Weise wie die Bodenwand 2 über Durchgangsbohrungen 16 durchsetzende Gewindeschrauben 17 an dem deckenseitigen Flansch 15 fixiert.
Durch die Verwendung von Abstandselementen 9, 14 mit variablen Stärken kann eine verhältnismäßig grobe Voreinstellung der Resonanzfrequenz ωR des Hohlraumresonators 1 vorgenommen werden.
Eine in Form einer dünnen, metallischen Scheibe ausgebildete Plattenfeder 18 ist randseitig zwischen dem ringscheibenförmigen Abstandselement 14 und der Deckenwand 4 fixiert. Die Plattenfeder 18 begrenzt in ihrem zentralen Bereich einen in der Deckenwand 4 vorhandenen, zylinderförmigen Federaufnahmeraum 19. Der Federaufnahme- raum 19 enthält in dem hier dargestellten Beispiel drei übereinander angeordnete Tellerfedern 20, die um ein zentrales Führungselement 21 herum gelagert und bodenseitig an der Plattenfeder 18 abgestützt sind. Oberhalb der Deckenwand 4 befindet sich eine Mikrometerschraube 22, die aus einem fest mit der Deckenwand 4 verbundenen Schraubenfutter 23 und einem darin in einem Feingewinde geführten Drehglied 24 besteht. Das Drehglied
24 beaufschlagt mit einem bodenseitig vorstehenden Stellstift 24a das obere Ende eines in einer Zentralbohrung des Schraubenfutters 23 geführten Stempels 25, dessen unteres Ende ein auf die obere Tellerfeder 20 wirkendes erstes Mehrschicht-Piezoelement 26 beaufschlagt.
Bei einer Verstellung des Drehgliedes 24 wird der Stempel
25 mit hoher Einstellgenauigkeit (beispielsweise 50 μm pro Umdrehung) in Axialrichtung bewegt. Der Bewegungsweg wird auf das erste Mehrschicht-Piezoelement 26 übertragen und kann von diesem zusätzlich verändert, d.h. verkürzt oder verlängert werden. Der ausgangsseitig des ersten
Mehrschicht-Piezoelements 26 auftretende Linearhub Δxx wirkt auf die oberste Tellerfeder 20 und komprimiert diese. Die Tellerfedern 20 drücken auf die Plattenfeder 18 und lenken diese in ihrem zentralen Bereich um einen Auslenkungsweg Δx2 aus. Aufgrund der von der Plattenfeder 18 ausgeübten Gegenkraft ist der ausgangsseitige Auslenkungsweg Δx2 kleiner als der eingangsseitige Linearhub Δ j. Die Reduzierung des Auslenkungswegs Δx2 bezüglich Δxx wird durch die Federkonstante λ des Tellerfederstapels und die Federkonstante k2 der Plattenfeder 18 bestimmt. Bei gleichen Federkonstanten k: = k2 wird eine Bewegungswegverkürzung um den Faktor 2 erzielt.
An der von dem Federaufnahmeraum 19 abgewandten Seite der Plattenfeder 18 ist über einen Stiel 27 eine Abstimmscheibe 28 angebracht. Die Abstimmscheibe 28 erstreckt sich parallel und unter einem kleinen Abstand d zu einer ebenen Oberfläche 29 des dielektrischen Zylinders 30. Bei einer zentralen Auslenkung Δx2 der Plattenfeder 18 in bo- denseitiger Richtung verlagert sich die Abstimmscheibe 28 ebenfalls um Δx2, so daß sich ein zuvor eingestellter Abstand d zwischen der Abstimmscheibe 28 und dem zylindrischen Körper 30 auf d-Δx2 verkürzt.
Fig. 2 zeigt in Form eines Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau eines Mikrowellenoszillators, der den in Fig. 1 dargestellten Hohlraumresonator 1 verwendet. Ein Verstärkersignal 41 eines Verstärkers 40 wird einem Hoch- frequenzkoppler 42 zugeführt. Der Hochfrequenzkoppler 42 koppelt aus dem Verstärkersignal 41 einerseits ein Nutzsignal 43 aus und leitet das Verstärkersignal 41 andererseits zu dem Hohlraumresonator 1 weiter. Die Einkopplung des Verstärkersignals 41 in den Hohlraumresonator 1 erfolgt über die Eingangsantenne 13a.
Über die Ausgangsantenne 13b wird ein Ausgangssignal 44 aus dem Hohlraumresonator 1 ausgekoppelt und einem elektrisch oder mechanisch betätigbaren Phasenschieber 45 zugeführt, welcher zur Einstellung der Phasenbedingung in dem Rückkopplungszweig 41, 42, 1, 44, 45 vorgesehen ist. Das von dem Phasenschieber 45 erzeugte phasenverschobene Rückkoppelsignal 46 wird in den Verstärker 40 eingespeist.
Wie bereits erwähnt, kann der Mikrowellenoszillator nur dann kontinuierlich durchgestimmt werden, wenn der Hohlraumresonator 1 eine geforderte Einstellgenauigkeit der
Resonanzfrequenz ΔωR von etwa 100 kHz oder weniger erreicht. Ungünstig ist dabei, daß die Abstimmsteilheit
ΔωR/Δx2 eines Hohlraumresonators proportional mit seiner Güte Q zunimmt. Bei Resonatoren 1 mit vergleichsweise geringer Güte (Q * 104) wird eine typische Abstimmsteilheit von 10 kHz/μm beobachtet. Dies bedeutet, daß die Einstellgenauigkeit des Abstimmechanismus in Hinblick auf die erreichbare Lagegenauigkeit der Abstimmscheibe 28 nur etwa 10 μm betragen muß, um die geforderte Abstimmgenauigkeit ΔωR der Resonanzfrequenz von 100 kHz zu erreichen.
Demgegenüber beträgt die Abstimmsteilheit bei einer Güte von Q * 107 bereits 103 kHz/μm. Eine Güte von Q « 107 läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Hohlraumresonator 1 durch eine Kühlung desselben auf etwa 77K erzielen, weil sich für sogenannte Whispering-Gallery-Moden auf diese Weise die in dem dielektrischen Zylinder 30 auftretenden dielektrischen Verluste deutlich reduzieren lassen. Um eine kontinuierliche Durchstimmbarkeit eines Mikrowellenoszillators mit dem gekühlten Hohlraumresonator 1 zu errei- chen, muß der Abstimmechanismus des Hohlraumresonators 1 dann eine Einstellgenauigkeit von 0,1 μm aufweisen.
Die in Fig. 1 dargestellten Ubersetzungsmechanik 18, 20 ermöglicht (bei Verwendung einer Mikrometerschraube 22 einer Einstellgenauigkeit von 50 μm pro Umdrehung) eine derartige Einstellgenauigkeit und gestattet somit die Realisierung eines vollständig durchstimmbaren Mikrowellenoszillators mit einem Hohlraumresonator 1 der Güte Q « 107.
Die hohe Einstellgenauigkeit des Abstimmechanismus 22, 20, 18 beruht neben der erfindungsgemäßen Reduzierung des Bewegungsweges durch die Ubersetzungsmechanik 18, 20 auch darauf, daß aufgrund der Konstruktion der Ubersetzungsmechanik 18, 20 aus hintereinander geschalteten Federelementen in dieser praktisch kein Bewegungsspiel auftritt. Dadurch wird auch eine hohe Reproduzierbarkeit der Einstellungsposition ermöglicht.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Abstimmechanismus 22, 20, 18 ist seine mechanische Stabilität und Vibrationsfestigkeit insbesondere bei verhältnismäßig niedrigen Anregungsfrequenzen (< 1 kHz). Diese beruht neben der bereits erwähnten robusten und im wesentlichen spielfreien Konstruktion der Ubersetzungsmechanik 18, 20 zum einen auf den hohen mechanischen Eigenfrequenzen der Plattenfeder 18 und zum anderen auf den hohen Kräften, die aufgewendet werden müssen, um diese auszulenken (beispielsweise ist k2 = 5000 N/mm) . Dadurch wird eine ausgesprochen geringe Mikrophonieanfälligkeit erreicht und es ist sogar möglich, den Hohlraumresonator 1 mittels eines kommerziellen Kleinkühlers 1 zu kühlen, ohne daß ein Übersprechen der Kühlervibrationen in das Resonanzfrequenzspektrum beobachtet wird.
Vorzugsweise können auch die ersten und zweiten Mehr- schicht-Piezoelemente 26, 11 zur elektrischen Einstellung der Resonanzfrequenz ωR verwendet werden. Das erste Mehrschicht-Piezoelement 26 bewirkt dabei eine Bewegung der Abstimmscheibe 28 relativ zu dem ortsfesten dielektrischen Zylinder 30, während ein Betrieb des zweiten Mehr- schicht-Piezoelements 11 eine Bewegung des dielektrischen Zylinders 30 relativ zu der ortsfesten Abstimmscheibe 28 zur Folge hat. Dabei ermöglicht insbesondere das der Ubersetzungsmechanik 18, 20 vorgeschaltete erste Mehrschicht-Piezoelement 26 eine sehr genaue elektrische
Feineinstellung der Resonanzfrequenz ωR und eignet sich deshalb in besonderem Maße als Stellglied zur Regelung der Resonanzfrequenz ωR in einem Regelschleifenbetrieb.
In Fig. 3 ist ein Diagramm dargestellt, das das Abstimmverhalten des in Fig. 2 gezeigten Oszillators unter den folgenden beispielhaften Bedingungen verdeutlicht: Der Hohlraumresonator 1 ist auf eine Temperatur von 77K gekühlt und weist einen dielektrischen Zylinder 30 aus Saphir auf. Es wird eine Mikrometerschraube 22 mit einem Hub von 50 μm pro Umdrehung, drei Tellerfedern 20 und eine 1 mm starke Plattenfeder 18 (k2 = 5000 N/mm) verwen- det. Die Abstimmscheibe 28 besteht aus Saphir und weist eine Dicke von 0 , 5 mm auf. Die Abstimmung erfolgt bei einer Frequenz von 23 GHz.
Auf der im linken Bildbereich der Fig. 3 dargestellten y- Achse ist die Änderung der Oszillatorfrequenz Δf als
Funktion des auf der x-Achse aufgetragenen Linearhubs Δx2 der Abstimmscheibe 28 dargestellt. Eine Variation des Linearhubs Δx2 von 0,75 mm entspricht einer Frequenzänderung von 45 MHz.
Bei den genannten Bedingungen wird eine minimale mechanische Lageänderung der Abstimmscheibe 28 von Δx2(min) < 0,2 μm erreicht. Dies entspricht gemäß Fig. 3 bei kleinen Abständen d < 0,3 mm zwischen der Abstimmscheibe 28 und dem dielektrischen Zylinder 30 etwa einer minimalen Änderung der Resonanzfrequenz ΔωR(min) von 4 kHz. Diese durch die mechanische Verstimmung des Hohlraumresonators 1 erzielbare Frequenzänderung ist somit deutlich geringer als die von dem Phasenschieber 45 herbeiführbare maximale Frequenzvariation von etwa 100 kHz, d.h. die eingangs genannte Bedingung für die kontinuierliche Durchstimmbarkeit des Mikrowellenoszillators ist gut erfüllt.
Die auf der im rechten Bildbereich der Fig. 3 dargestellten y-Achse aufgetragene Güte Q des Hohlraumresonators 1 ist über den gesamten Abstimmbereich des Mikrowellenoszillators weitgehend konstant und beträgt in dem hier dargestellten Beispiel Q > 2-106. Dabei tritt auch während eines Einstellvorgang praktisch keine Gütedegradation des Hohlraumresonators 1 auf.

Claims

Ansprüche :
Abstimmbarer Hohlraumresonator, der
- einen einen Hohlraum (5) definierenden Resonatorkörper (2 , 3 , 4 ) ,
- eine in ihrer Lage gegenüber dem Resonatorkörper (2, 3, 4) veränderliche und dabei die Resonanzfrequenz (ωR) des Hohlraumresonators (1) beeinflussende Abstimmscheibe (28) und
- eine Stelleinrichtung (22, 26) zur mechanischen Lageveränderung der Abstimmscheibe (28) umfaßt, gekennzeichnet durch eine Ubersetzungsmechanik (18, 20), die die Stelleinrichtung (22, 26) bewegungsmäßig mit der AbStimmscheibe (28) koppelt und einen von der
Stelleinrichtung (22, 26) erzeugten Linearhub (Δxx) unter vorgegebenem Verhältnis (U) in einen auf die Abstimmscheibe (28) wirkenden, reduzierten Linearhub
(Δx2) übersetzt, wobei die Ubersetzungsmechanik (18, 20) ein erstes Federelement (20), dessen stelleinrichtungsseitiges Ende mit dem von der Stelleinrichtung (22, 26) erzeugten Linearhub (Δx auslenkbar ist, und ein zweites Federelement (18), das das stelleinrichtungsferne Ende des ersten Federelements (20) mit einer Gegenkraft beaufschlagt, umfaßt.
2. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Federelement aus wenigstens einer Tellerfeder (20) gebildet ist, und daß das zweite Federelement von einer umfangsseitig fixierten, von der Tellerfeder (20) zentral beaufschlagten Plattenfeder (18) realisiert ist.
3. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Resonatorkörper aus einer zylindrischen Umfangswand (3), einer Deckenwand (4) und einer Bodenwand (2) besteht,
- daß in der Deckenwand (4) und/oder der Bodenwand (2) ein zur Umfangswandachse koaxialer, einen Tellerfederstapel (20) enthaltender zylindrischer Federaufnahmeraum (19) ausgebildet ist, und daß die Plattenfeder (18) in ihrem radial äußeren Bereich zwischen einem Flansch (15) der Umfangswand (3) und der Decken- oder Bodenwand (4; 2) fixiert ist.
4. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (22, 26) ein insbesondere manuell betätigbares mechanisches Stellglied, insbesondere Drehstellglied (22) und ein dem mechanischen Stellglied (22) nachgeschaltetes erstes elektromechani- sches Stellglied, insbesondere erstes Piezoelement (26) umfaßt.
Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Flansch (15) der Umfangswand (3) und der Boden- und/oder Deckenwand (2; 4) eine oder mehrere Abstandselemente (9; 14) vorgegebener Stärke angeordnet sind.
Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmscheibe (28) aus einem dielektrischen Material, insbesondere Saphir, besteht.
Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- daß in dem Resonatorkörper (2, 3, 4) ein dielektrischer Körper (30) vorgesehen ist, und
- daß die Abstimmscheibe (28) innerhalb des Resonatorkörpers (2, 3, 4) unter einem geringen Abstand (d) zu einer ebenen Oberfläche (29) des dielektrischen Körpers (30) angeordnet ist.
Abstimmbarer Hohlraumresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (30) auf einem mittels eines zweiten elektromechani- schen Stellglieds, insbesondere zweiten Piezoelements (11) in seiner Höhe veränderlichen Hubboden (10) angebracht ist.
. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder das zweite elektromechanische Stellglied (11; 26) ein von einer Ansteuerschaltung ausgegebenes elektrisches Steuersignal empfängt, mittels dem der Hohlraumresonator ( 1 ) in einem Frequenz- Regelschleifenbetrieb betrieben wird.
10. Abstimmbarer Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (1) thermisch an eine externe Kühleinrichtung, insbesondere einen mechanischen Kleinkühler angeschlossen ist.
11. Abstimmbarer Mikrowellenoszillator mit einem Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Verstärker (40), der ein den Hohlraumresonator ( 1 ) anregendes Verstärkersignal (41) ausgibt, einen Phasenschieber (45), der ein aus dem Hohlraumresonator ( 1 ) ausgekoppeltes Ausgangssignal (44) entgegennimmt und ein gegenüber dem Ausgangssignal (44) phasenverschiebbares Rückkoppelsignal (46) bereitstellt, welches einem Eingang des Verstärkers (40) zugeführt wird.
12. Abstimmbarer Mikrowellenoszillator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator 1 eine Güte Q > 106, insbesondere Q > 107 aufweist, und daß die Ubersetzungsmechanik (18, 20) des Hohlraumre- sonators (1) so ausgelegt ist, daß die durch eine minimal mögliche Verstellung der Stelleinrichtung (22) erzielbare Minimaländerung der Resonanzfrequenz
(ΔωR(min)) kleiner als der durch eine Verstellung des Phasenschiebers (45) maximal erzielbare Frequenzhub
(ΔωR) der Resonanzfrequenz (ωR) ist.
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